ARTIKEL KEANEKARAGAMAN PREDATOR DAN PARASITOID HAMA MANGROVE DI KAWASAN RESTORASI TAMAN NASIONAL SEMBILANG SUMATERA SELATAN KESIAPSIAGAAN MASYARAKAT NAGARI BATU BAJANJANG MENUJU NAGARI TANGGUH BENCANA KONDISI TERUMBU KARANG DI PULAU TIDUNG, KEPULAUAN SERIBU DAN SEKITARNYA KONSEP HUNIAN VERTIKAL SEBAGAI SALAH SATU ALTERNATIF UNTUK PERMASALAHAN PERMUKIMAN KUMUH PERKOTAAN (STUDI KASUS KAMPUNG PULO) MENDAMBAKAN TATA RUANG BERKELANJUTAN STUDI PENDAHULUAN : INVENTARISASI MAMALIA DI WILAYAH HUTAN LINDUNG BUKIT COGONG II STUDI AWAL PERHITUNGAN SEL BAHAN BAKAR BERBASIS URANIUM OKSIDA (UO2) PADA REAKTOR CEPAT BERPENDINGIN HELIUM STUDI AWAL PERHITUNGAN SEL BAHAN BAKAR BERBASIS THORIUM OKSIDA PADA GASCOOLED FAST REACTOR (GFR)
JURNAL PUSAT STUDI LINGKUNGAN PERGURUAN TINGGI SELURUH INDONESIA
Lingkungan & Pembangunan ENVIRONMENT & DEVELOPMENT
ISSN 0216 - 2717
VOLUME 02, NOMOR 1; 2016
JURNAL LINGKUNGAN DAN PEMBANGUNAN JOURNAL OF ENVIRONMENT AND DEVELOPMENT Penanggung Jawab Ketua Badan Kerjasama Pusat Studi Lingkungan (BKPSL) Dewan Editor Fisika dan Pendidikan Biologi Prof. Dr. Ir. Agoes Soegianto, DEA Prof. Dr. Lambang Subagiyo, MSc. Kesehatan dan Lingkungan
Pertanian
Prof. dr. Haryoto Kusnoputranto, SKM. Dr. PH
Prof. Dr. Ir. Laode Asrul, MP
Teknik Kimia
Prof. Dr. Ir. Tjandra Setiadi, M.Eng.
Prof. Dr. Fachrurrozie Sjarkowi, M.Sc.
Arsitektur
Lingkungan
Prof. Ir. Agus Budi Purnomo, MS. PhD.
Sosial Ekonomi
Dr. Dwi P. Sasongko
Teknik Lingkungan Prof. Dr. Ir. Nasfryzal Carlo, MSc Editor Pelaksana Dr. Ir. Hefni Effendi, MPhil. dan Dr. Melati Ferianita Fachrul, MS. Asisten Editor Sri Muslimah, S.Si. Andreas Pramudianto, SH., MHum. Alamat Redaksi Jurnal Lingkungan dan Pembangunan Sekreatariat Eksekutif Badan Kerjasama Pusat Studi Lingkungan (BKPSL) Pusat Penelitian Sumberdaya Manusia dan Lingkungan Gedung C Lantai V, Jl. Salemba Raya No. 4, Jakarta 10430 Telp. 021-31930318, 021-31930309, Fax. 021-31930266 Homepage: www.bkpsl.org/jurnal / email:
[email protected] Pusat Penelitian Lingkungan Hidup (PPLH) Kampus IPB, Dramaga 16680 Telp. 0251-8621262, 8622085, Fax. 0251-8622134
LINGKUNGAN DAN PEMBANGUNAN VOLUME 1, NOMOR 3, 2015
DAFTAR ISI Daftar Isi Dari Redaksi
ARTIKEL Keanekaragaman Predator dan Parasitoid Hama Mangrove di Kawasan Restorasi Taman Nasional Sembilang Sumatera Selatan Syafrina Lamin, Jayansyah, Mustafa Kamal
iv v
312
Kesiapsiagaan Masyarakat Nagari Batu Bajanjang Menuju Nagari Tangguh Bencana Nasfryzal Carlo, Wawan Budianto, Eva Rita
324
Kondisi Terumbu Karang di Pulau Tidung, Kepulauan Seribu dan Sekitarnya Supriharyono
332
Konsep Hunian Vertikal sebagai Salah Satu Alternatif untuk Permasalahan Permukiman Kumuh Perkotaan (Studi Kasus Kampung Pulo) Felicia Putri Surya Atmadja, Sri Utami Azis, Traindriani Mustikawati
347
Mendambakan Tata Ruang Berkelanjutan Sudharto Prawata Hadi
360
Studi Pendahuluan : Inventarisasi Mamalia di Wilayah Hutan Lindung Bukit Cogong Ii Doni Setiawan, Muhammad Iqbal, Indra Yustian, Arum Setiawan
368
Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud
381
Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Thorium Oksida pada Gas-Cooled Fast Reactor (GFR) Siti Aulia, Menik Ariani, Supardi, Zaki Su’ud
391
Jurnal Lingkungan dan Pembangunan Volume 2, Nomor 1, 2016
Lingkungan dan Pembangunan STUDI AWAL PERHITUNGAN SEL BAHAN BAKAR BERBASIS URANIUM OKSIDA (UO2) PADA REAKTOR CEPAT BERPENDINGIN HELIUM* Sari Novalianda1, Menik Ariani1,2, Fiber Monado1,2, Zaki Su’Ud3 1. Program Studi Fisika, Pascasarjana Universitas Sriwijaya, Jl. Padang Selasa 542, Palembang, Sumatera Selatan 2. Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Sriwijaya, Kampus Indralaya, Ogan Ilir, Sumatera Selatan 3. Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung Email:
[email protected]
Abstrak Penelitian ini menyajikan studi awal perhitungan sel bahan bakar pada reaktor cepat. Sel bahan bakar adalah bagian terkecil dari penyusun teras reaktor. Satu sel bahan bakar terdiri dari bahan bakar (fuel), kelongsong (cladding) dan pendingin (coolant). Pada penelitian ini menggunakan sel bahan bakar berbasis uranium oksida (UO 2), dengan cladding terbuat dari stainless steel (SS316) dan coolant berupa helium. Perhitungan sel dan burnup dilakukan dengan menggunakan modul PIJ pada Standard Reactor Analysis Code (SRAC) dengan pustaka JENDL-3.2. Hasil penelitian sel bahan bakar berbasis uranium-238 dengan pengayaan 10% uranium-235, menggunakan fraksi volume bahan bakar 54,5%, cladding 15% dan coolant 30,5% menunjukkan nilai kekritisan keff>1 (1,003-1,062), dengan excess reactivity rata-ratanya adalah 0,021. Kata kunci : burnup, sel bahan bakar, uranium.
THE PRELIMINARY STUDY OF CELL CALCULATION FOR FUEL BASED URANIUM OXIDE (UO2) IN HELIUM-COOLED FAST REACTOR Abstract *Disampaikan pada Seminar Nasional “Etika Lingkungan dalam Eksplorasi Sumberdaya Pangan dan Energi”, diselenggarakan oleh Pusat Penelitian Lingkungan Hidup (PPLH) Universitas Sriwijaya dan Badan Kerjasama Pusat Studi Lingkungan (BKPSL) Indonesia, tanggal 11-12 November 2015 di Hotel Novotel, Palembang.
381
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
This research presents of a preliminary study of fuel cell calculation in fast reactors. The fuel cell is the smallest part of the reactor core. One fuel cell consists of fuel, cladding and coolant. In this study, using a fuel cell-based uranium oxide (UO2), with cladding made of stainless steel (SS316) and coolant is a helium. Cells and burnup calculations done using module cell PIJ in Standard Reactor Analysis Code (SRAC) with JENDL-3.2 libraries. Results-based fuel cell research uranium-238 enrichment of 10% uranium-235, using a fraction of the fuel volume of 54.5%, 15% cladding and coolant 30.5% shows the value of the criticality of keff> 1 (1.003 to 1.062), with excess reactivity the average is 0,021. Keywords : burnup, fuel cells, uranium.
1. PENDAHULUAN Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) merupakan salah satu pertimbangan untuk menjadi salah satu sumber energi listrik alternatif di Indonesia. Dalam pengoperasian PLTN tidak menghasilkan emisi dan berbiaya relatif murah dibandingkan dengan pembangkit listrik lainnya. Program riset dan pengembangan reaktor nuklir berkembang pesat seiring dengan kepentingan untuk mengatasi meningkatnya kebutuhan energi di masa mendatang. Salah satu konsep reaktor yang mendapat perhatian khusus dalam beberapa tahun terakhir ini adalah reaktor generasi IV yaitu reaktor cepat berpendingin helium (gas-cooled fast reactor-GFR). GFR adalah jenis reaktor cepat yang terbaik dalam hal ketahanan karena GFR mempunyai siklus bahan bakar tertutup, menggunakan helium sebagai pendingin dan dapat dioperasikan pada suhu 850 oC yang dapat memproduksi gas hidrogen (GIF, 2009). Sebelum membangun sebuah reaktor nuklir secara fisik terlebih dahulu dibuat perencanaan perhitungan yang matang. Salah satu faktor terpentingnya adalah aspek neutronik (perilaku neutron) yang terjadi di dalam reaktor. Reaktor nuklir adalah sebuah sistem tempat mengontrol dan mempertahankan terjadinya reaksi nuklir. Prinsip kerja reaktor nuklir mirip dengan pembangkit listrik konvensional. Perbedaan ini utamanya terletak pada sumber energi dan jenis bahan bakar. Sumber energi konvensional berasal dari proses pembakaran secara kimia bahan bakar fosil, sedangkan pada reaktor nuklir berasal dari reaksi fisi nuklir dari bahan bakar fisil. Reaksi fisi nuklir menghasilkan energi, contohnya yaitu (Duderstadt dan Hamilton, 1976):
382
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
Reaksi fisi terjadi di dalam teras reaktor, dimana bagian terkecil dari penyusun teras reaktor dinamakan sel bahan bakar. Pada reaktor cepat, sel bahan bakar terdiri dari bahan bakar (fuel), kelongsong (cladding) dan pendingin (coolant). Pembuatan bahan bakar reaktor dari sejak penambangan memerlukan beberapa tahapan proses. Bijih uranium hasil penambangan diolah menjadi tepung U3O8 yang disebut yellow cake kemudian dimurnikan dan dikonversikan menjadi gas uranium hexaflorida (UF6) dengan kandungan U-235 0,7% dari total uranium (Sudarsono, 2011). Kebanyakan reaktor nuklir menggunakan bahan bakar dengan kandungan U-235 lebih dari 0,7%. Oleh karena itu, kandungan U-235 dalam UF6 harus ditingkatkan atau diperkaya (enrichment). Gas UF6 yang telah diperkaya kemudian dikonversikan menjadi UO2. Pada proses selanjutnya UO2 dipress atau dicetak menjadi bentuk silinder pejal yang disebut pellet. Pellet ini kemudian disusun di dalam cladding yang terbuat dari logam. Cladding berfungsi sebagai material pembungkus bahan bakar, sehingga apabila unsur hasil fisi lepas dari bahan bakar, maka cladding berfungsi menahan hasil fisi tetap berada dalamnya. Susunan sel bahan bakar yang terakhir adalah coolant. Helium merupakan salah satu jenis coolant yang memiliki kelebihan dari coolant yang lainnya yaitu bersifat inert (sukar bereaksi dengan unsur lain). Makalah ini menguraikan hasil perhitungan studi awal reaktor cepat berpendingin helium pada sel bahan bakar berbasis uranium oksida (UO2). 2. METODOLOGI Parameter-parameter desain sel reaktor yang digunakan dapat dilihat pada dalam Tabel 1. Tabel 1. Parameter desain sel reaktor Parameter Bahan Bakar Cladding Coolant
Spesifikasi Uranium Oksida (UO2) Stainless Steel (SS316) Helium
Pengayaan U-235 Fraksi Volume, Fuel/Cladding/Coolant Pin pitch
10% 54,5%:15%:30,5% 1,4 cm
383
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
Parameter
Spesifikasi
Geometri cell Waktu burnup material
Silinder 100 tahun
Geometri sel bahan bakar berbentuk silinder (sylindrical cell), dengan penampang lintangnya disajikan pada Gambar 1.
Fuel
54,5% %
Cladding 15%
Coolant 30,5%
Gambar 1. Geometri silinder sel bahan bakar. Analisis neutron pada reaksi fisi berantai yang terjadi, membahas mengenai populasi dan perilaku neutron. Salah satu besaran penting dalam analisis neutronik adalah faktor multiplikasi effektif (k eff), yaitu (Monado, 2013) (Gambar 2):
dengan ketentuan: keff = 1 disebut keadaan kritis, dimana jumlah neutron tetap (konstan). keff < 1 disebut keadaan sub kritis, dimana jumlah neutron berkurang. keff > 1 disebut keadaan super kritis, dimana jumlah neutron bertambah.
384
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
Gambar 2. Grafik faktor multiplikasi effektif (keff) (Duderstard dan Hamilton, 1976).
Pada penelitian ini menggunakan modul PIJ pada Standard Reactor Analysis Code (SRAC) dengan pustaka JENDL-3.2 untuk perhitungan neutronik sel bahan bakar (Okumura, 2007). 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bagian ini dibahas hasil dan pembahasan dari perhitungan sel bahan bakar berbasis uranium oksida (UO2) yang telah dibuat dengan beberapa parameter survei yang telah ditentukan. Jumlah U-235 yang terdapat di alam hanya 0,07%, sedangkan sisanya 99% adalah U-238, walaupun jumlahnya sedikit, U-235 merupakan bahan bakar fisil yang dapat langsung memancarkan neutron yang menghasilkan produk fisi dalam reaktor. Dengan demikian, maka diperlukan proses pengayaan U235 agar densitas atomik dari U-235 juga bertambah. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3 yang menunjukkan grafik perubahan faktor multiplikasi efektif (keff) dengan variasi pengayaan U-235 mulai dari 9% sampai 12%. Pada pengayaan 9% diperoleh keff<1, sedangkan pengayaan 10-12% mencapai keadaan kritis dengan keff >1.
385
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
keff
9%
10%
11%
12%
1.123 1.103 1.083 1.063 1.043 1.023 1.003 0.983 0.963 0.943 0
10
20
30
40
50
60
burnup (tahun)
70
80
90
100
Gambar 3. Faktor multiplikasi efektif untuk variasi pengayaan U-235. Gambar 4 menunjukkan pengayaan 10% U-235 dengan perubahan variasi fraksi volume bahan bakar. Survei dilakukan dari fraksi bahan bakar 52%, 54,5%, 56% dan 58,5%. Kekritisan reaktor terjadi pada fraksi bahan bakar 54,5%, hal ini didukung oleh hasil perhitungan faktor multiplikasi efektif yang bernilai satu.
keff
52%
54,5%
56%
58,5%
1.078 1.068 1.058 1.048 1.038 1.028 1.018 1.008 0.998 0.988 0
10
20
30
40
50
60
burnup (tahun)
70
80
90
100
Gambar 4. Faktor multiplikasi efektif untuk variasi fraksi volume bahan bakar. Jika ditelaah lebih mendalam lagi (Gambar 5) faktor multiplikasi efektif untuk satu siklus periode burnup, diperoleh keff =1,003 pada tahun kedua burnup dan terus meningkat hingga keff =1,062 pada burnup tahun ke lima puluh dua, kemudian keff turun kembali hingga tahun ke seratus (keff =1,026). 386
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
1.073 1.063
keff
1.053 1.043 1.033 1.023 1.013 1.003 0.993 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
burnup (tahun)
Gambar 5. Faktor multiplikasi efektif untuk pengayaan 10% untuk fraksi bahan bakar 54,5%, cladding 15% dan coolant 30,5%. Gambar 6 menunjukkan perubahan faktor multiplikasi infinitif (kinf). kinf ini memperlihatkan ukuran kenaikan atau penurunan fluks neutron, yang dihitung tanpa adanya faktor kebocoran. Pada tahun kedua burnup nilai kinf = 1,062 dan terus meningkat sampai tahun ke empat puluh delapan (kinf =1,122) dan akan turun kembali hingga tahun ke seratus burnup (kinf =1,084), hal ini seiring dengan berkurangnya jumlah densitas U-235 selama waktu burnup. 1.125 1.115
kinf
1.105 1.095 1.085 1.075 1.065 1.055 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
burnup (tahun)
Gambar 6. Perubahan faktor multiplikasi infinitif selama periode burnup. Burnup diartikan sebagai total energi yang dilepaskan per unit massa bahan bakar sebagai hasil pembakaran bahan bakar (Menik, 2013). Gambar 7 menunjukkan perubahan level burnup sepanjang waktu 387
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
Powel Level (105 MWd/Ton)
burnup. Dapat dilihat bahwa level burnup terus meningkat seiring bertambahnya waktu burnup. Pada tahun ke seratus, level burnup berada pada 2,25x105 MWd/Ton. 2.50 2.25 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00
0
10
20
30
40
50 60 burnup (tahun)
70
80
90
100
Gambar 7. Perubahan level burnup.
Densitas Atom U-235 (1021 cm3)
Selama proses burnup, U-235 yang bersifat fisil akan mengalami fisi, sehingga akan berubah menjadi unsur lainnya. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 8 yang menunjukkan penurunan densitas U-235 secara signifikan, sebanding dengan lamanya waktu burnup. 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3 1.1 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
burnup (tahun)
Gambar 8. Perubahan densitas atomik U-235. Selama proses burnup, U-238 yang bersifat fertil akan berubah menjadi unsur lain akibat dari reaksi fisi yang terjadi dalam sel bahan bakar tersebut. Salah satu produk fisi yang dihasilkan dari U-238 adalah Pu388
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
Densitas Atom U-238 (1022 cm3)
239. Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 9 dan 10 terjadi perubahan densitas atomik U-238 dan Pu-239. Densitas atomik U-238 akan berkurang selama proses burnup, sedangkan Pu-239 yang pada awal reaksi fisi belum ada, hingga proses burnup berjalan Pu-239 akan mulai tercipta dan akan bertambah secara signifikan selama proses burnup berlangsung. 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
burnup (tahun)
Gambar 9. Perubahan densitas atomik U-238.
Denstas Atom Pu-239 (1021 cm3)
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
burnup (tahun)
Gambar 10. Perubahan densitas atomik Pu-239. 4. KESIMPULAN Sel bahan bakar UO2 menggunakan pengayaan 10% U-235 dengan fraksi volume fuel 54,5%, cladding 15% dan coolant 30,5% diperoleh keff =1,003 tahun ke 2 burnup dan terus meningkat sampai keff =1,062 tahun 389
Sari Novalianda, Menik Ariani, Fiber Monado, Zaki Su’Ud/Studi Awal Perhitungan Sel Bahan Bakar Berbasis Uranium Oksida (UO2) pada Reaktor Cepat Berpendingin Helium/2016
ke 48 delapan dan pada tahun ke 100 dengan nilai keff =1,026, maka sel bahan bakar ini tetap dalam keadaan kristis sampai tahun keseratus burnup. 5. DAFTAR PUSTAKA Menik, A. Su’ud, Z. Monado, F. Waris, A. Rijal, K. Arif, I. Ferhat, A. and Sekimoto, H. Applied Mechanics and Materials, Vols.260-261 (2013) pp 307-311. Duderstadt, J.J. dan Hamilton, J.H. 1976. Nuclear Reactor Analysis. John Wiley& Sons Inc, USA. GIF. (2009). GIF R&D Outlook For Generation IV Nuclear Energy Systems. Choi, H. Rimpault, G. and Bosq, J.C. 2006. Enggineering 152(2): 204-218.
Nuclear Science and
Okumura, K. Kugo, T. Kaneko, K. and Tsuchihashi, K. 2007. A Comprehensive Neutronic Calculation Code System. JAEAData/Code 2007-004. Reactor Physics Group, Nuclear Science and Engineering Directorate. Japan Atomic Energy Agency. Fiber, M. Su’ud, Z. Waris, A. Basar, K. Menik, A. and Sekimoto, H. 2013. Advanced Materials Research 772: 501-506. Sudarsono, B. 2011. Pusat Listrik Tenaga Nuklir. Pusat Pengembangan Informatika Nuklir BATAN.
390
